循环流化床锅炉水冷壁管的防磨与喷涂

酒泉卫星发射中心 刘继平 李向军

循环流化床锅炉在运行过程最常见的问题就是受热面磨损尤其是水冷壁的磨损。目前，防止水冷壁磨损主要有假加装护防磨隔板、让管、加装防磨梁以及金属喷涂。金属喷涂是循环流化床防磨最有效的方法之一。超音速电弧喷涂是比较成熟和有效的的解决办法。它是高强度的钛合金作为打底过度层，在打底层上面使用高速空气作为动力，把高耐磨的涂层喷涂到打底层上，使得涂层达到0.5～0.8mm。使用这种方法，使水冷壁管因磨损泄露的隐患风险大为降低，提高循环流化床锅炉的安全运行周期。喷涂涂层的均匀程度和强度是整个喷涂的关键所在。

这两年对单位的3台75T 循环流化床锅炉检修中发现了一个共性的问题：由于受建设经费等原因的限制，锅炉本体系统受热面水冷壁、过热屏在安装过程中没有进行防磨、防腐等喷涂工艺的施工处理。经过近2年时间的系统运行，检查发现三台炉都出现了燃烧密相区，12.24米耐火浇注料往上，一直到弯头的地方，磨损区在4～6米的范围内。就是水冷壁管磨损比较严重，虽然没有出现泄露、爆管等情况。但是出现了水冷壁管局部磨损严重、管壁减少的情况，要引起我们的高度重视，否则一旦出现泄露将会是大面积的、也是不可逆的。

经过大量查阅资料，和国内同类型锅炉厂进行沟通交流，在循环流化床锅炉水冷经过喷涂金属层，水冷壁的表面磨损可大为减轻和有效缓解，受热面的因为磨损而带来的泄漏停炉故障可以大为降低。锅炉水冷壁管是采用φ60光管加扁钢组成的膜式水冷壁，管与管之间距离为85mm。膜式水冷壁均匀布置在炉膛的前后左右四个面上，具有较好的密封性能和良好的热交换性。在炉膛内部密相区和标高12.24米以下的水冷壁管壁上，敷设有厚度为80mm的耐磨浇注料，如图1所示，其中1为浇注层、2为炉膛风帽。

图1 炉膛内衬布局

1 磨损机理和部位分析

水冷壁的磨损主要是由于炉膛内的烟气带有流动的颗粒引起。循环流化床只要表现为局部结构上的颗粒团聚以及整天结构上颗粒浓度和速度的不均匀分布。循环流化床炉膛内存在中心区域颗粒浓度低且整体向上运动、顺着水冷壁四周颗粒浓度高且整体向下运动，这种特性决定了整个烟气在炉膛内流动过程中，烟气中颗粒对水冷壁管的冲刷是不可避免的，只是由于所带负荷高低不同而整体冲刷的严重程度不同而已。

循环流化床锅炉水冷壁磨损部位主要出现在炉膛过渡区。虽然内循环和变流层的存在强化了炉膛内传热效果，延长了物料在炉膛内的停留时间，客观的保证了炉膛内温度场的均匀分布，但是加剧了水冷壁表面的磨损也是客观存在的，尤其是对于凹凸不平的水冷壁管尤为明显。水冷壁管过渡区的磨损有两种：一种是和炉膛内向上移动火焰烟气颗粒方向相反，产生局部的涡流磨损；第二种颗粒沿水冷壁壁面下落方向在过度区域方向的改变，产生冲刷磨损[1]。

炉膛内水冷壁管的磨损还存在于炉膛的四个角、炉膛顶部及出口、屏式受热面以及开孔区域。炉膛四角区域磨损比较明显。是由于水冷壁下降流的叠加作用，浓度几乎成倍增加，这样就会加重水冷壁管四角磨损。

水冷壁管在喷涂之前，首先需要做的工作就是检查水冷壁管大致情况。检查时首先需要搭好脚手架。人到达预定位置后，主要通过肉眼、手摸、仪器察看外表结渣结焦、变形以及壁厚情况。从检修的3台锅炉水冷壁几个地方磨损情况看，循环流化床锅炉水冷壁管磨损高度一般不超过水冷壁管卫燃带上4～6m 的区域。三台炉大致情况相当，这也说明这些区域将会是检修检测中检查的重点。如果运行时间超过三个月以上，上述四个容易出现磨损的地方就要仔细检查，外表查看磨损痕迹、管壁光亮程度、护板有无松动、仪器测量壁厚来鉴别一个运行周期内水冷壁管的整体状况，做出评估。掌握磨损规律。指导运行过程中的燃烧调整，及时变化固体物料浓相区高度来延缓水冷壁管磨损速度。在检修过程中制定检修方案、检修重点和检修内容，制定喷涂方案和措施，决定实施喷涂时机和范围。

结合我单位锅炉实际检修检测情况，锅炉炉膛卫燃带以上4至6米、炉膛烟道出口处浇注料四周区域和中、高温过热器屏穿炉膛前墙浇注料四周区域水冷壁管是较易磨损和冲刷严重部位。

2 超音速电弧喷涂防磨应用

10号锅炉为上海锅炉厂设计制造的高温高压参数、自然循环、单炉膛平衡通风、固态排渣、紧身封闭、全钢构架的循环流化床锅炉，型号设计为SG-75/9.81-M2807型，于2019年12月投产运行。由于受建设经费等原因的限制，锅炉本体系统受热面水冷壁、过热屏在安装过程中没有进行防磨防腐等喷涂工艺的施工处理。经过近2年时间的系统运行，检查发现锅炉炉膛水冷壁卫燃带上部管壁已出现磨光发亮的问题，长期运行会对水冷壁管造成严重的磨损，甚至出现泄漏、爆管等问题，严重影响系统运行的安全稳定。

2.1 喷涂前处理

循环流化床锅炉水冷壁的基体表面清洁、无结焦结渣，达到毛化的要求。水冷壁打磨的目的是使水冷壁表面呈灰白色的金属外观和均匀粗细。选择磨料时根据涂层的厚度而定，磨料须清洁、有棱角，才能保证涂层与基体的结合良好。在检查中发现，要是水冷壁管壁厚低于理论计算强度，碳钢管减薄量超过设计壁厚的30%，合金管减薄量超过25%。就要采取局部更换水冷壁管，在换管的过程中注意焊接质量，同时还要对表面进行处理，达到光洁的目的[2]。

2.2 喷涂前的补焊

目前全站循环流化床锅炉水冷壁管的管材都是用20G，此种管材是一种优质碳素钢管，有非常好的焊接性能。20G 具有一定的高强度和延展性，在焊接实施过程中较易取得好的焊接效果。焊工选择时得有相应的级别证书，开展同类工种时间超过五年以上，具有一定的专业水准，主要的技术要求是焊接完整个表面平整，焊接的试件要有X 射线探伤检查，合格后方可进行正常工作。采用匹配的焊条，小直径、小电流进行断弧点焊，主要是防止焊接时水冷壁管过热变形。因此补焊可以取得好的效果[2]。

2.3 表面预处理

表面缺陷处理全部完毕，焊缝打磨平滑过渡，无凹凸台阶、飞溅物、焊瘤。整个基体表面的的粗糙程度大小直接决定了喷涂后的整个强度，所以基体表面粗糙度的处理显得尤为重要。一般采用喷砂、砂轮磨削等方法进行管壁表面处理。采用砂轮磨削打磨时，由于磨削的不精细，存在涂层局部脱落、鼓包等质量问题。喷砂作业就是使用石英砂或铸铁砂依托高压气流直接喷射到管壁表面，进行粗糙化处理。需要注意的是，操作者经验、砂型的选用、喷射角度、气体压力和流速都需经过反复实践来进行调整，喷砂完成后要进行质量检查，主要检查管壁的清洁度要达到Sa3.0级，粗糙度要达到Rz60～90µm 适当且均匀，处理完的管壁表面要立即进行喷涂作业，防止出现打磨后的管壁被氧化而影响喷涂质量。

2.4 采取措施

根据磨损部位分析情况，对10锅炉炉膛水冷壁前墙卫燃带以上6.76米区域（图2）、左右侧墙卫燃带以上4米区域（图3）、炉膛后侧墙卫燃带以上4米区域和炉膛烟道出口（图4）处浇注料四周500mm区域，共约115m2面积，选用镍铬钛等金属合金丝材进行超音速电弧防磨喷涂，增强其耐磨防腐性能，延长锅炉设备使用周期。

图2 水冷壁布局

图3 过热屏布局局

图4 炉膛布局

2.5 喷涂作业

超音速电弧喷涂时金属喷涂的一种，所以喷涂材料的选用显得尤为重要。在实际作业中，一般选用硬度高、强度大、耐磨性优、耐腐蚀、抗高温氧化的钛合金作为喷涂材料，对锅炉水冷壁受热面喷涂区域进行喷涂。

超音速电弧喷涂原理是利用两根连续送进的金属丝作为自耗电极，在其端部产生电弧作为热源，用压缩空气将熔化了的丝材雾化，并以超音速喷向工作件形成一种结合强度高、孔隙率低、表面粗糙度低的涂层的热喷涂方法。具有粒子飞行速度高、与基体结合好，粒子细小、孔隙率低，沉积效率高、涂层组织致密，电弧稳定性高，喷涂基体不存在热变形，一次喷涂被磨蚀掉后可以二次进行喷涂等优点。

图5 超音速电弧喷涂示意图

要求喷涂层与母材结合良好，外观均匀致密，无起皮、无鼓泡，无开裂、无生丝附着。涂层厚度0.5mm～0.8mm，防磨喷涂厚度严禁一次成型，应分5～8遍均匀喷涂，确保每层不漏喷、少喷。喷涂作业过程搭接部位衔接结合严密、光滑，喷涂与未喷涂分界线必须平滑过渡，严禁出现凸台。

2.6 封孔剂涂刷及超音速电弧喷涂操作注意事项

涂层验收合格后，刷涂高温专用封孔剂进行封孔，尽可能地将涂层孔隙堵住，并填平其凹坑，延长涂层的使用寿命。

图6 工艺流程图

使用的压缩空气要净化，压力和流量要保证要求；调整好电流和电压；主要喷枪的角度和喷枪的移动快慢，这个主要由操作者经验来控制喷涂质量；在特殊部位（水冷壁四角、顶棚、出入口）喷涂时，喷涂层可以尽量厚一点。

施工主要参数验收：预处理清洁度Sa3.0、预处理粗糙度Rz60～90µm、喷涂粒子速度≥400m/s、喷涂涂层厚度0.5mm～0.8mm、硬度≥HRC40、结合强度≥55MPa、使用温度≥1200℃、涂层孔隙率＜1%、封孔剂工作温度≥1000℃、封孔剂耐磨性10mg/1000r、喷涂时基体受热温度＜150℃。

综上，由于炉膛所处的特殊位置，平时检修检测非常困难，人员看不到外表磨损情况，只能借助高空作业平台，无论是搭脚手架还是使用炉内升降平台都要花费大量的人力物力。如果出现磨损严重泄漏情况，就需要专业焊工实施换管或者补焊，焊接作业面条件复杂，焊工只能看到水冷壁管的一个面、看不到整个水冷壁管，焊接难度较大、影响检修质量。为此，采用超音速电弧喷涂技术进行防磨处理，喷涂层的硬度较基层的硬度更大，且在高温下会产生致密、坚硬和稳定性更好的氧化层。此方法有效解决了炉膛内水冷壁管的磨损，为机组长周期运行奠定了基础。